[发明专利]一种超细晶材料的增材制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及到一种超细晶材料的增材制造方法。

背景技术

晶粒平均尺寸在100nm～1μm范围内时定义为超细晶材料(Ultrafine Grained,UFG)，晶粒平均尺寸大于1μm时为粗晶材料(Coarse Grained，CG)。与传统的粗晶材料相比，超细晶材料具有低熔点、高韧性、高强度等诸多优异的力学性能。超细晶材料的制备方法通常包括：等径弯曲通道变形(ECAP)、累积叠轧变形(ARB)、高压扭转变形(HPT)等剧烈塑性变形法。上述方法可以制备尺寸较大的块体超细晶金属材料，但在工业化生产上存在一些不足：如ECAP工业化生产设备昂贵、挤压模具磨损严重等导致生产成本较高，常用于型材、棒材的生产；ARB工艺适用于板材的生产，但生产过程中的材料裂纹现象难以解决，导致产品质量及成品率下降；HPT工艺适合棒材的生产加工，但大尺寸工件的组织与性能不均匀。由此可见，现有工艺技术仅适合制备形状简单的超细晶块体材料，无法制备具有复杂形状的零部件。中国专利申请第201310479359.7号公开了一种采用等径弯曲通道变形制备超细晶钛基复合材料的方法，该方法通过多道次的等径角挤压变形后，可获得具有超细晶结构的强度高、塑性良好的钛基块体复合材料，但无法实现复杂形状零部件的制备。

综上所述，十分有必要开发新型的超细晶材料增材制造方法，以实现具有复杂形状零部件的制备，拓展超细晶材料的工业化生产应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超细晶材料的增材制造方法，以解决上述技术问题。本发明工艺简单，无需设计专用的加工模具，生产成本低，特别适合工业化推广应用。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超细晶材料的增材制造方法，包括以下步骤：

(1)原材料准备：将金属粉末与陶瓷粉末混合均匀后真空干燥获得冷喷涂粉末；金属粉末与陶瓷粉末的体积配比为(70～90):(30～10)；

(2)冷喷涂沉积成型：将步骤(1)制备的冷喷涂粉末冷喷涂到基体或预先沉积体的表面，形成陶瓷掺杂金属基复合材料的冷喷涂沉积体；

(3)搅拌摩擦加工处理：将冷喷涂沉积体置于搅拌摩擦机上，调整搅拌工具头对准沉积体，高速旋转下沉压入冷喷涂沉积体内进行搅拌，同时移动搅拌工具头，使其覆盖整个待加工区域进行搅拌摩擦加工处理，获得具有均匀超细晶结构的冷喷涂沉积体。

进一步的，步骤(1)中混合时间为30～60分钟；真空干燥具体为：将混合均匀的粉末放入在真空干燥箱内，抽真空至10^-2～10^-3Pa，干燥温度设定为60～80℃，时间为6～12小时。

进一步的，金属粉末为Al、Zn、Cu、Ni、铝合金、锌合金、铜合金或镍合金粉末，陶瓷粉末为Al₂O₃、SiC或TiN。

进一步的，金属粉末的粒径分布范围在1～100μm，平均粒径为5～45μm，形状为球形或不规则形状；陶瓷粉末的粒径分布范围在5～75μm，平均粒径为10～45μm，形状为球形或不规则形状。

进一步的，喷涂过程中冷喷涂粉末以500～1300m/s的速度高速撞击，金属粉末颗粒在固态下发生剧烈塑性变形沉积成型；沉积过程中，硬度较高的陶瓷颗粒镶嵌进入金属沉积体，最终形成陶瓷掺杂金属基复合材料的冷喷涂沉积体；冷喷涂工艺的条件为：气体压力0.5～1.5MPa，气体加热温度为350～600℃，送粉量控制在10～15g/min；喷枪出口处与沉积体表面的距离控制在10～30mm，喷枪移动速度为100mm/min。

进一步的，步骤(3)中搅拌工具头的旋转速度为400～2200rpm，搅拌工具头的移动速度为0.5～2mm/s；经搅拌摩擦加工处理后，获得具有均匀超细晶结构的喷涂沉积体。

进一步的，具有均匀超细晶结构的喷涂沉积体其晶粒尺寸分布范围为0.2～0.9μm，平均晶粒尺寸为0.5～0.7μm。

进一步的，在经步骤(3)处理后获得的具有均匀超细晶结构的喷涂沉积体上，重复步骤(2)和(3)，最终获得所需后的和形状的具有均匀超细晶结构的喷涂沉积体，完成超细晶材料的增材制造。